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DC-AC变换器（无源逆变电路）一、学习目的：通过本章的学习，学者可以了解逆变器的电路结构、分类、特点及主要性能指标；对三种基本变换方式——方波变换、阶梯波变换、正弦波变换，有一定的认识；可以理解采用各种变换方式的逆变器的工作原理；了解空间矢量PWM控制的基本原理。二、主要内容：1、基本概念DC-AC变换器是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值、一定频率的交流输出电压（或电流），并向无源负载（如电机、电炉、或其它用电器等）供电的电力电子装置，又称为无源逆变电路，常简称作逆变器（Inverter）。完成直流电压变换的逆变器称为电压型逆变器，而完成直流电流变换的逆变器则称为电流型逆变器。2、变换方式的分类（1）方波变换方式逆变器的交流输出有两种基本调制方式：脉冲幅值调制（PAM－PluseAmplitudeModulation）和单脉冲调制（SPM－SinglePluseModulation）。所谓脉冲幅值调制（PAM）是指：逆变器的输出频率可由180°方波或120°方波（如图4-3b所示）的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由输出方波的幅值即逆变器直流侧电压（或电流）的幅值来控制。显然，采用PAM控制方式时，其方波的导通角恒定（180°方波或120°方波）。所谓的单脉冲调制（SPM）是指：逆变器的输出频率仍由方波的周期来控制，而逆变器输出基波的幅值则由逆变器输出方波的导通角进行控制，即可使导通角在0°～180°范围调节。显然，采用SPM控制方式时，逆变器输出方波的幅值即逆变器直流侧电压（或电流）的幅值恒定。（2）阶梯波变换方式（3）斩控调制方式：是指逆变器输出的调制脉冲幅值固定不变，而逆变器中的功率管以一定的控制规律进行调制。斩控调制方式主要有以下二类即：①脉冲宽度调制（PWM）；②脉冲频率调制（PFM）3、逆变器的分类（1）按直流侧储能元件的性质，逆变器可分为电压型逆变器（VSI－VoltageSourceInverter）和电流型逆变器（CSI－CurrentSourceInverter）。（2）按逆变器输出波形的不同，逆变器可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、以及正弦波逆变器等。（3）按逆变器功率电路结构形式的不同，逆变器可分为半桥逆变器、全桥逆变器、推挽式逆变器等。（4）按逆变器功率电路的功率器件的不同，逆变器可分为半控型逆变器和全控型逆变器。（5）按逆变器输出频率的不同，逆变器可分为工频逆变器、中频逆变器以及高频逆变器。（6）按逆变器输出交流电的相数的不同，逆变器可分为单相逆变器、三相逆变器以及多相逆变器。（7）按逆变器输入、输出是否隔离，逆变器可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。（8）按逆变器输出电平的不同，逆变器可分为两电平逆变器和多电平逆变器。4、逆变器的性能指标谐波系数HF、总谐波畸变系数THD、畸变系数DF、最低次谐波LOH等。5、电压型逆变器（1）特点：①直流侧有足够大的储能电容元件，从而使其直流侧呈现出电压源特性，即稳态时的直流侧电压近似不变。②逆变器输出的电压波形为方波或方波脉冲，并且该电压波形与负载无关。③逆变器输出的电流波形则取决于负载，且输出电流的相位随负载功率因数的变化而变化。④逆变器输出电压的控制可以通过PAM（脉冲幅值调制）和PWM（脉冲宽度调制）两种基本控制方式来实现。（2）分类：依据电压型逆变器的控制方式和结构的不同，电压型逆变器主要可分为方波型、阶梯波型、正弦波型（PWM型）三类。（3）电压型方波逆变器本章主要讨论电压型单相全桥方波逆变器、电压型单相半桥方波逆变器、带中心抽头变压器的电压型单相推挽式方波逆变器、电压型三相桥式方波逆变器.1）电压型单相全桥方波逆变器：+-VT1VT2VT3VT4VD4VD3VD2VD1ZoiiuCou这种电压型单相全桥方波逆变器的输出波形控制主要有脉冲幅值调制（PAM）和单脉冲调制（SPM）两类，而单脉冲调制又包含对称单脉冲调制和移相单脉冲调制。电压型单相全桥方波逆变器采用脉冲幅值调制（PAM）时，其主电路的四个功率管采用180°互补控制模式，这样逆变器输出的电压为180°导电的交流方波电压，其方波电压幅值即为逆变器的直流电压幅值。采用对称单脉冲调制时，每半个输出周期对称改变一次逆变器的开关状态，并通过调整方波脉冲的宽度来控制逆变器输出电压的基波大小。采用移相单脉冲调制时，单相全桥逆变器四个功率管驱动信号均为180°方波，并且负载一端上下桥臂的驱动信号相位固定，而负载另一端上下桥臂的驱动信号相位可移动。调节超前桥臂与滞后桥臂间的相角θ，就可以调节单相全桥逆变器的输出方波宽度，从而控制逆变器输出电压的基波幅值。2）电压型三相桥式方波逆变器dU1VT2VT3VT4VT5VT6VT5VD1VD3VD4VD6VD2VDabcaZbZcZn逆变器每相的方波变换可采用180°和120°两种方波调制方式，即所谓的180°导电方式和120°导电方式。所谓180°导电方式是指三相桥式逆变器每相的方波变换采用180°方波调制方式，要求逆变器中功率管的驱动信号为180°方波，每相的上下桥臂均采用180°互补控制模式。相邻相的桥臂驱动信号相位互差120°，任何时刻有且只有三个桥臂导电，或两个上桥臂一个下桥臂导电，或一个上桥臂两个下桥臂导电。所谓120°导电方式是指三相桥式逆变器每相的方波变换采用120°方波调制方式，要求逆变器中功率管的驱动信号为120°方波，每相的上下桥臂均采用120°控制且有60°导通间隙。相邻相的桥臂驱动信号相位互差120°，任何时刻有且只有两个桥臂导电，即一个上桥臂和一个下桥臂导电。（5）电压型正弦波逆变器要求输出正弦波电压的电压型PWM逆变器，常称为电压型正弦波逆变器。这种电压型正弦波逆变器一般应具备以下特点：①逆变器的直流电压可采用结构简单的不控整流电路；②利用单一的功率电路及其控制，可同时调整输出频率和输出电压，动态响应快；③由于输出电压的谐波频率主要分布在开关频率及其以上频段，因而输出谐波含量低。1）单相电压型正弦波逆变器+-VT1VT2VT3VT4VD4VD3VD2VD1ZoiiuCou单相电压型正弦波逆变器，可采用三种SPWM控制方案，即单极性SPWM控制、双极性SPWM控制以及倍频单极性SPWM控制。所谓单极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有单极性特征。即当输出正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲；而当输出负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角载波极性与正弦调制波极性相同的所谓单极性三角载波调制。所谓双极性SPWM控制是指逆变器的输出脉冲具有双极性特征。即无论输出正、负半周，输出脉冲全为正、负极性跳变的双极性脉冲。当采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，只须采用正、负对称的双极性三角载波即可。所谓倍频单极性SPWM控制是指：逆变器输出脉冲的调制频率是载波频率的两倍，并且输出脉冲具有单极性特征。倍频单极性SPWM控制有调制波反相和载波反相两种PWM控制模式。2）三相电压型正弦波逆变器dU1VT2VT3VT4VT5VT6VT5VD1VD3VD4VD6VD2VDabcaZbZcZn三相电压型正弦波逆变器，可采用多种SPWM控制方案即：三相双极性SPWM控制、提高电压利用率的鞍形调制波SPWM控制以及既能提高电压利用率又能降低开关损耗的综合优化SPWM控制等。三相双极性SPWM控制是三相电压型正弦波逆变器基本的SPWM控制方案，这种控制方案对每相桥臂采用以上讨论的双极性SPWM控制，即三相桥臂采用同一个三角载波信号，而三相桥臂的调制波则采用三相对称的正弦波信号。进行傅立叶分析，若定义逆变器输出线电压的基波幅值与逆变器直流电压之比为电压型逆变器的电压利用率，显然，三相双极性SPWM控制时的正弦波逆变器电压利用率（约为0.866）较180°导电型控制时的方波逆变器电压利用率（约为1.1）低。因此，在不增加SPWM输出谐波的同时，为了提高SPWM控制时的电压利用率，可以采用鞍形调制波SPWM控制和综合优化SPWM控制。三、重难点内容:1、电压型单相全桥方波逆变器的结构，工作过程和控制原理2、单相电压型正弦波逆变器的结构，工作过程和控制原理3、空间矢量PWM控制基本原理4、晶闸管三相全桥（串联二极管式）电流型方波逆变器的结构，工作过程和控制原理四、课后习题4.4什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点？答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧是电压源的逆变器称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是：1)直流侧有足够大的储能电容元件，从何使其直流侧呈现出电压源的特性，即稳态时的直流侧电压近似不变2)逆变器输出的电压波形为方波或方波脉冲，并且该电压波形与负载无关3)逆变器输出的电流波形则取决于负载，且输出电流的相位随负载功率因数的变化而变化4)逆变器输出电压的控制可以通过脉冲幅值调制（PAM）和脉冲宽度调制（PWM）两种基本的控制方式电流型逆变电路的主要特点是：1）直流侧有足够大的储能电感元件，从何使其直流侧呈现出电流源的特性，即稳态时的直流侧电流近似不变2）逆变器输出的电流波形为方波或方波脉冲，并且该电流波形与负载无关3）逆变器输出的电压波形则取决于负载，且输出电压的相位随负载功率因数的变化而变化4）逆变器输出电流的控制可以通过脉冲幅值调制（PAM）和脉冲宽度调制（PWM）两种基本的控制方式4.5电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。4.8试分析采用120°导电方式的电压型三相桥式方波逆变电路的工作过程。答：参照图4-12的电压型三相桥式逆变器电路结构和图4-14电压型三相桥式逆变器120°导电方式时的相关波形进行分析：采用120°导电方式的电压型逆变器在任何时刻有且只有两个桥臂导电，即一个上桥臂一个下桥臂导电，且相邻序号功率管的驱动信号相位互差60°。假设VT1和VT6先导通，输出电压Uan为Ud/2,Ubn为-Ud/2,Ucn为0，因此输出电压Uab为Ud，Ubc为-Ud/2,Uca为-Ud/2;然后VT1和VT2导通，输出电压Uan为Ud/2,Ubn为0,Ucn为-Ud/2，因此输出电压Uab为Ud/2，Ubc为Ud/2,Uca为-Ud;然后VT2和VT3导通，输出电压Uan为0,Ubn为Ud/2,Ucn为-Ud/2，因此输出电压Uab为-Ud/2，Ubc为Ud,Uca为-Ud/2;然后VT3和VT4导通，输出电压Uan为-Ud/2,Ubn为Ud/2,Ucn为0，因此输出电压Uab为-Ud，Ubc为Ud/2,Uca为Ud/2;然后VT4和VT5导通，输出电压Uan为-Ud/2,Ubn为0,Ucn为Ud/2，因此输出电压Uab为-Ud/2，Ubc为-Ud/2,Uca为Ud;然后VT5和VT6导通，输出电压Uan为0,Ubn为-Ud/2,Ucn为Ud/2，因此输出电压Uab为Ud/2，Ubc为-Ud,Uca为Ud/2。以后的过程与前面类似。4.9正弦脉宽调制SPWM的基本原理是什么？载波比N、电压调制系数M的定义是什么？在载波电压幅值Vcm和频率fc恒定不变时，改变调制参考波电压幅值Vrm和频率fr为什么能改变逆变器交流输出基波电压V1的大小和基波频率f1？答：SPWM的基本原理可以用冲量等效原理进行描述：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其惯性环节的输出基本相同。这里所谓的“冲量”就是指窄脉冲的面积，而“惯性环节的输出